का आकलन तलछट Denitrification कोर और N2का उपयोग कर दरों ओ Microsensors
Summary
इस विधि तलछट कोर में तलछट denitrification दरों का अनुमान एसिटिलीन अवरोध तकनीक और संचित एन2ओ के microsensor माप का उपयोग कर । प्रोटोकॉल कोर इकट्ठा करने के लिए प्रक्रियाओं का वर्णन करता है, सेंसर जांच, एसिटिलीन निषेध प्रदर्शन, एन2ओ संचय को मापने, और denitrification दर की गणना.
Abstract
Denitrification जैव मंडल से प्रतिक्रियाशील नाइट्रोजन को हटाने की प्राथमिक biogeochemical प्रक्रिया है. इस प्रक्रिया का मात्रात्मक मूल्यांकन anthropogenic-बदल वैश्विक नाइट्रोजन चक्र और ग्रीनहाउस गैसों के उत्सर्जन (यानी, एन2ओ) का आकलन करने के लिए विशेष रूप से प्रासंगिक हो गया है । कई तरीके denitrification को मापने के लिए उपलब्ध हैं, लेकिन उनमें से कोई भी पूरी तरह से संतोषजनक हैं । मौजूदा तरीकों के साथ समस्याओं उनके अपर्याप्त संवेदनशीलता शामिल हैं, और सब्सट्रेट स्तर को संशोधित करने या परेशान नमूनों का उपयोग प्रक्रिया के भौतिक विन्यास में परिवर्तन करने की जरूरत. यह काम coring, एसिटिलीन अवरोध, और संचित एन2ओ के microsensor माप को जोड़ती है कि तलछट denitrification दरों का आकलन करने के लिए एक विधि का वर्णन है । इस विधि के मुख्य लाभ तलछट संरचना की एक कम अशांति और एन2ओ संचय के एक निरंतर रिकॉर्ड का संग्रह कर रहे हैं; इन अधिकतम 0.4-1 µmol एन2ओ एम-2 एच-1के लिए मूल्यों के साथ विश्वसनीय denitrification दरों का अनुमान सक्षम करें । प्रमुख कारकों में हेरफेर करने की क्षमता प्रयोगात्मक अंतर्दृष्टि प्राप्त करने के लिए एक अतिरिक्त लाभ है । प्रोटोकॉल कोर इकट्ठा करने के लिए प्रक्रियाओं का वर्णन करता है, सेंसर जांच, एसिटिलीन निषेध प्रदर्शन, एन2ओ संचय को मापने, और denitrification दर की गणना. विधि प्राप्त करने योग्य तलछट कोर के साथ किसी भी जलीय प्रणाली में denitrification दरों का आकलन करने के लिए उपयुक्त है । यदि n2o एकाग्रता संवेदक की पता लगाने की सीमा के ऊपर है, एसिटिलीन अवरोधक कदम denitrification के बजाय एन2ओ उत्सर्जन का अनुमान लगाने के लिए छोड़ा जा सकता है । हम बताएंगे कि कैसे नाइट्रेट की उपलब्धता बढ़ाने के साथ ही प्रक्रिया के तापमान निर्भरता दोनों वास्तविक और संभावित denitrification दरों का अनुमान है । हम माउंटेन लेक तलछट का उपयोग कर प्रक्रिया वर्णन और लाभ और अंय तरीकों की तुलना में तकनीक की कमजोरियों पर चर्चा । इस विधि विशेष प्रयोजनों के लिए संशोधित किया जा सकता है; उदाहरण के लिए, यह 15N अनुरेखकों के साथ संयुक्त किया जा सकता नाइट्रीफिकेशन और denitrification या denitrification दरों की सीटू माप में क्षेत्र का आकलन करने के लिए.
Introduction
नाइट्रोजन चक्र के Anthropogenic परिवर्तन पृथ्वी प्रणाली1के लिए सबसे चुनौतीपूर्ण समस्याओं में से एक है । मानव गतिविधि कम से रिएक्टिव नाइट्रोजन2जैव मंडल के लिए उपलब्ध के स्तर को दोगुनी हो गई है । हालांकि, वहां बड़ी अनिश्चितताओं के बारे में कैसे वैश्विक N चक्र का मूल्यांकन किया है रहते हैं । कुछ फ्लक्स अनुमान से कम ± 20% त्रुटि के साथ quantified गया है, और कई ± ५०% और बड़ा3की अनिश्चितताओं है । इन अनिश्चितताओं में denitrification दरों के सटीक आकलन की जरूरत है और परिवर्तन के अंतर्निहित तंत्र की समझ का संकेत है । Denitrification एक माइक्रोबियल गतिविधि है जिसके माध्यम से नाइट्रोजन आक्साइड, मुख्य रूप से नाइट्रेट और नाइट्राइट, dinitrogen gasses, एन2ओ और एन24को कम कर रहे हैं । मार्ग प्रतिक्रियाशील नाइट्रोजन के जैव मंडल उपलब्धता के लिए अत्यंत प्रासंगिक है, क्योंकि यह हटाने की प्राथमिक प्रक्रिया है5. N2ओ एक वार्मिंग क्षमता के साथ एक ग्रीनहाउस गैस है लगभग ३०० बार है कि सह2 के १०० साल से अधिक है, और यह stratospheric ओजोन कमी के वर्तमान प्रमुख कारण बड़ी मात्रा में6,7उत्सर्जित किया जा रहा है ।
निंनलिखित में, हम तलछट denitrification कोर और एन2ओ microsensors प्रयोग (चित्रा 1) का उपयोग दरों का आकलन करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं । Denitrification दरों एसिटिलीन निषेध विधि8,9 और N2के संचय की माप का उपयोग कर एक निर्धारित अवधि के दौरान अनुमानित है (चित्रा 2 और चित्रा 3) । हम इसे माउंटेन लेक तलछट को लागू करने के द्वारा विधि का प्रदर्शन । इस मामले का अध्ययन अवसादियों की शारीरिक संरचना को कम से कम अशांति के साथ अपेक्षाकृत निंन दरों का पता लगाने के लिए विधि के प्रदर्शन पर प्रकाश डाला गया ।
Denitrification विशेष रूप से10उपाय मुश्किल है । वहां कई वैकल्पिक दृष्टिकोण और तरीकों, फायदे और नुकसान के साथ प्रत्येक रहे हैं । उपलब्ध तरीकों के लिए कमियां महंगे संसाधनों के उनके उपयोग, अपर्याप्त संवेदनशीलता, और सब्सट्रेट स्तर को संशोधित करने या प्रक्रिया के भौतिक विन्यास में परिवर्तन की जरूरत शामिल10परेशान नमूने का उपयोग कर । एन2 को मापने के लिए एक और भी मौलिक चुनौती10पर्यावरण में अपनी बुलंद पृष्ठभूमि का स्तर है । n 2 ओ n2 की कमी एसिटिलीन (सी2एच2)8,9से हिचकती है । इस प्रकार, denitrification सी2एच2की उपस्थिति में संचित एन2ओ को मापने के द्वारा quantified जा सकता है, जो कम पर्यावरणीय एन2ओ स्तर के कारण संभव है ।
तलछट में denitrification दरों को मापने के लिए सी2एच2 के उपयोग के बारे में ४० साल पहले11विकसित किया गया था, और एन2ओ सेंसरों के शामिल होने के बारे में 10 साल बाद12. सबसे व्यापक रूप से लागू एसिटिलीन आधारित दृष्टिकोण “स्थैतिक कोर” है । जमा एन2ओ अप करने के लिए 24 एच की एक मशीन की अवधि के दौरान मापा जाता है के बाद सी2एच2 सील तलछट कोर10के headspace में जोड़ा जाता है । विधि यहां वर्णित कुछ नवाचारों के साथ इस प्रक्रिया इस प्रकार है । हम कुछ मिनट के लिए कोर के पानी के चरण में गैस bubbling द्वारा सी2एच2 जोड़ने के लिए, और हम एक microsensor के साथ N2ओ के संचय को मापने से पहले सभी headspace नमूना पानी के साथ भरें । हम भी एक सरगर्मी प्रणाली है कि तलछट को resuspend बिना पानी की स्तरीकरण को रोकता है शामिल हैं । प्रक्रिया quantifies प्रति तलछट सतह क्षेत्र denitrification दर (जैसे, µmol एन2ओ एम-2 एच-1) ।
denitrification के उच्च स्थानिक और लौकिक रूपांतर अपनी सटीक ठहराव10में एक और कठिनाई प्रस्तुत करता है । आमतौर पर, N2O संचय क्रमिक रूप से headspace नमूनों कि मशीन के दौरान एकत्र कर रहे हैं की गैस क्रोमैटोग्राफी द्वारा मापा जाता है । विधि वर्णित एन2ओ संचय के लौकिक रूपांतर की निगरानी में सुधार प्रदान करता है, क्योंकि microsensor एक सतत संकेत प्रदान करता है । microsensor मीटर एक डिजिटल microsensor एम्पलीफायर (picoammeter) है कि सेंसर (एस) और कंप्यूटर (चित्रा 1a) के साथ इंटरफेस है. मीटर कई एन2ओ microsensors एक ही समय में इस्तेमाल किया जा करने के लिए अनुमति देता है । उदाहरण के लिए, एक ही अध्ययन साइट से चार तलछट कोर तक एक साथ मापा जा सकता है स्थानिक परिवर्तनशीलता के लिए खाते में ।
मुख्य दृष्टिकोण मुश्किल से तलछट संरचना कुछ अंय तरीकों (जैसे, slurries) की तुलना में परेशान करता है । यदि तलछट की अखंडता को बदल दिया है, इस अवास्तविक denitrification दरों13 कि सापेक्ष तुलना के लिए ही पर्याप्त है की ओर जाता है । उच्च दर हमेशा मुख्य तरीकों14की तुलना में घोल तरीकों के साथ प्राप्त कर रहे हैं, क्योंकि बाद सब्सट्रेट प्रसार15द्वारा denitrification की सीमा को बरकरार रखता है । गारा उपायों के प्रतिनिधि नहीं माना जा सकता सीटू दरों में 16; वे सटीक एक ही प्रक्रिया के साथ की गई तुलना के लिए रिश्तेदार उपाय प्रदान करते हैं ।
वर्णित विधि किसी भी तलछट प्रकार है कि कोर जा सकता है में denitrification दरों का आकलन करने के लिए उपयुक्त है । हम विशेष रूप से ड्राइविंग कारकों में से कुछ की प्रयोगात्मक जोड़तोड़ प्रदर्शन के लिए विधि की सिफारिश । उदाहरण ऐसे प्रयोग हैं जो denitrification17 (चित्रा 2) के ऊर्जा सक्रियण (ईए) का आंकलन करने के लिए आवश्यकतानुसार नाइट्रेट की उपलब्धता और तापमान को संशोधित करते हैं ।
चित्रा 1 : प्रायोगिक सेटअप । (क) कोर और एन2ओ microsensors का उपयोग करते हुए तलछट denitrification दरों का अनुमान लगाने के लिए सामान्य प्रायोगिक सेटअप । मशीन चैंबर अंधेरे और नियंत्रित तापमान (± ०.३ डिग्री सेल्सियस) की स्थिति सुनिश्चित करता है । पांच बरकरार तलछट कोर उनके संबंधित एन2ओ सेंसर का उपयोग कर एक साथ संसाधित किया जा सकता है । (ख) एन2ओ सेंसर अंशांकन कक्ष । हम इसे रबर डाट और सीरिंज के साथ एन2ओ पानी मिश्रण (प्रोटोकॉल कदम 3.4.3 देखें) अनुकूलित । पानी के तापमान को नियंत्रित करने के लिए एक थर्मामीटर है । (ग) पीवीसी कवर और जोड़ों चिपकने वाला टेप के साथ बंद के केंद्रीय छेद में डाला सेंसर के साथ एक तलछट कोर नमूना के बंद अप । चमचे पानी में लटक रहा है, और विद्युत चुंबक के करीब है और एक्रिलिक ट्यूब के बाहरी भाग के लिए तय की । (d) एक धातु के टुकड़े द्वारा संरक्षित एन2ओ microsensor टिप का क्लोज़-अप । (ङ) एक तलछट कोर जो अभी बरामद किया गया है । यह एक गहरी झील में एक नाव से नमूना लिया गया था; कोर के साथ एक्रिलिक ट्यूब अभी भी दूत-अनुकूलित गुरुत्वाकर्षण corer19के लिए तय हो गई है । इस विधि को करने के लिए आवश्यक सभी मदों के लिए सामग्री की तालिका देखें । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।
Protocol
Representative Results
Discussion
वर्णित विधि का मुख्य लाभ ंयूनतम परेशान तलछट कोर नमूनों और एन2ओ संचय की लगातार रिकॉर्डिंग का उपयोग कर रहे हैं । ये अपेक्षाकृत कम denitrification दरों के आकलन की अनुमति देते हैं जो कि सीटू मेंहोने वाली संभा?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
स्पेनी सरकार सी. पी-एल (FPU12-00644) और Ministerio de Economia y Competitividad के अनुसंधान अनुदान के रूप में Ministerio de Educación के माध्यम से धन प्रदान की: NitroPir (CGL2010-19737), Lacus (CGL2013-45348-पी), स्थानांतरण ( CGL2016-80124-C2-1-P). REPLIM परियोजना (इनरे-INTERREG कार्यक्रम । EUUN-यूरोपीय संघ । EFA056/15) प्रोटोकॉल के अंतिम लेखन का समर्थन किया ।
Materials
| Messenger-adapted gravity corer | – | – | Reference in the manuscript. Made by Glew, J. |
| Sampling tube | – | – | Acrylic. Dimensions: 100 cm (h) × 6.35 cm (d) × 6.50 cm (D). Sharpen the edge of the sampling tube that penetrates into the sediment to minimize the disturbance in the recovered sediment core sample. |
| Handheld sounder | Plastimo | 38074 | Echotest II Depth Sounder. |
| Rubber stopper | VWR | DENE1012114 | With two holes, used to mix the N2O-water in the calibration chamber. Dimensions: 20 mm (h) × 14 mm (d) × 18 mm (D) (3 mm hole (D)). |
| Rubber stopper | VWR | 217-0125 | To seal the bottom part of the methacrylate tube and to sample in shallow water bodies. Dimensions: 45 mm (h) × 56 mm (d) × 65 mm (D). |
| PVC cover | – | – | To seal the top side part of the acrylic tube. Dimensions: 45 mm (h) × 56 mm (d) × 65 mm (D). Dimensions: 65 mm (D). |
| Adhesive tape | – | – | Waterproof. To ensure all joints (PVC cover sampling tube and PVC cover sensor) and to avoid water leaks. |
| Thermometer | – | – | Portable and waterproof, to measure the temperature in the water overlying the sediment just after sampling the cores. |
| GPS | – | – | To save the location of a new sampling site or to arrive at a previous site. |
| Wader | – | – | For littoral or shallow site samplings. |
| Boat | – | – | An inflatable boat is the best option for its lightness if the sampling site is not accessible by car. |
| Rope | – | – | Rope with marks showing its length (e.g., marked with a color code to distinguish each meter). |
| N2O gas bottle and pressure reducer | Abelló Linde | 32768-100 | Gas bottle reference. |
| C2H2 gas bottle and pressure reducer | Abelló Linde | 32468-100 | Gas bottle reference. |
| Tube used to evacuate the excess of water | – | – | Consists of a solid part (e.g., a 5 ml pipette tip without its narrowest end) inserted in a silicone tube. |
| Nitrous Oxide Minisensor w/ Cap | Unisense | N2O-R | We use 4 sensors at a time. |
| Microsensor multimeter 4 Ch. 4 pA channels | Unisense | Multimeter | Picoammeter logged to a laptop. The standard device allows for 2 sensor picoammeter connections (e.g., N2O sensor), one pH/mV and a thermometer. We ordered a device with four picoammeter connections, allowing the use of 4 N2O sensors simultaneously. |
| SensorTrace Basic 3.0 Windows software | Unisense | Sensor data acquisition software. | |
| Calibration Chamber incl. pump | Unisense | CAL300 | Calibration chamber. We tuned it with rubber stoppers and syringes to mix the N2O-water without making bubbles. |
| Incubation chamber | Ibercex | E-600-BV | Indispensable equipment for working at a constant temperature (±0.3 °C). It also allows control of the photoperiod. |
| Electric stirrer | – | – | Part of the stirring system. It hangs in the water, overlying the sediment subject, by a fishing line that is hooked to the PVC cover. |
| Electromagnet | – | – | Part of the stirring system. It is fixed to the outside of the acrylic tube, approximately at the same level as the stirrer. It is activated episodically (ca. 1 on-off per s) by a circuit, attracting the stirrer when it is on and releasing it when it is off, thereby generating the movement that agitates the water. |
| Electromagnetic pulse circuit | – | – | Part of the stirring system. It is connected by wires to the electromagnet and sends pulses of current that turn the electromagnet on and off. |
| Uninterruptible power supply (UPS) | – | – | It improves the quality of the electrical energy that reaches the measurement device, filtering the highs and low of the voltage, thereby ensuring a more constant and stable N2O sensor signal. |
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